淺談霍爾電流傳感器ACS785ACS712系列電流檢測(cè)方式

1、淺談霍爾電流傳感器ACS785/ACS712系列電流檢測(cè)方式淺談電流檢測(cè)方式一、檢測(cè)電阻+運(yùn)放 優(yōu)勢(shì)： 成本低、精度較高、體積小 劣勢(shì)： 溫漂較大，精密電阻的選擇較難，無(wú)隔離效果。分析： 這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性，低端檢測(cè)電路易對(duì)地線造成干擾；高端檢測(cè)，電阻與運(yùn)放的選擇要求高。檢測(cè)電阻，成本低廉的一般精度較低，溫漂大，而如果要選用精度高的，溫漂小的，則需要用到合金電阻，成本將大大提高。運(yùn)放成本低的，鉗位電壓低，而特殊工藝的，則成本上升很多。二、電流互感器CT/電壓互感器PT 在變壓器理論中，一、二次電壓比等于匝數(shù)比，電流比為匝數(shù)比的倒數(shù)。而CT 和PT 就是特殊的變壓器?；緲?gòu)造上，

2、CT 的一次側(cè)匝數(shù)少，二次側(cè)匝數(shù)多，如果二次開路，則二次側(cè)電壓很高，會(huì)擊穿繞阻和回路的絕緣，傷及設(shè)備和人身。PT 相反，一次側(cè)匝數(shù)多，二次側(cè)匝數(shù)少，如果二次短路，則二次側(cè)電流很大，使回路發(fā)熱，燒毀繞阻及負(fù)載回路電氣。 CT,電流互感器，英文拼寫Current Transformer，是將一次側(cè)的大電流，按比例變?yōu)檫m合通過(guò)儀表或繼電器使用的，額定電流為5A 或1A 的變換設(shè)備。它的工作原理和變壓器相似。也稱作TA 或LH（舊符號(hào)）. 工作特點(diǎn)和要求：1、一次繞組與高壓回路串聯(lián)，只取決于所在高壓回路電流，而與二次負(fù)荷大小無(wú)關(guān)。2、二次回路不允許開路，否則會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的高電壓，危及人身及設(shè)備安全。3、

3、CT 二次回路必須有一點(diǎn)直接接地，防止一、二次繞組絕緣擊穿后產(chǎn)生對(duì)地高電壓，但僅一點(diǎn)接地。4、變換的準(zhǔn)確性。 PT，電壓互感器，英文拼寫Phase voltage Transformers，是將一次側(cè)的高電壓按比例變?yōu)檫m合儀表或繼電器使用的額定電壓為100V 的變換設(shè)備。電磁式電壓互感器的工作原理和變壓器相同。也稱作TV 或YH（舊符號(hào)）。工作特點(diǎn)和要求：1、一次繞組與高壓電路并聯(lián)。2、二次繞組不允許短路（短路電流燒毀PT）,裝有熔斷器。3、二次繞組有一點(diǎn)直接接地。4、變換的準(zhǔn)確性三、模塊型霍爾電流傳感器 模塊型霍爾電流傳感器分開環(huán)模式與閉環(huán)模式。開環(huán)模式又稱為直接測(cè)量式霍爾電流傳感器，輸入為

4、電流，輸出為電壓。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果的精度和線性度都較高?？蓽y(cè)直流、交流和各種波形的電流。但它的測(cè)量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應(yīng)用中，霍爾器件是磁場(chǎng)檢測(cè)器，它檢測(cè)的是磁芯氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。電流增大后，磁芯可能達(dá)到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會(huì)隨之升高。這些都會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。當(dāng)然，也可采取一些改進(jìn)措施來(lái)降低這些影響，例如選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個(gè)霍爾元件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)等等。開環(huán)模式的結(jié)構(gòu)原理見下圖根據(jù)檢測(cè)量程的需求，一般分為以下兩種繞線模式，左圖為小量程的結(jié)構(gòu)圖，右圖為大量程的結(jié)構(gòu)圖。閉環(huán)模式又稱為零磁通模式或磁平衡模

5、式，其輸入與輸出端均為電流信號(hào)。原理見下圖將霍爾器件的輸出電壓進(jìn)行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個(gè)電流通過(guò)補(bǔ)償線圈，并令補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，最終達(dá)到磁平衡。這個(gè)平衡過(guò)程是自動(dòng)建立的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。建立平衡所需的時(shí)間極短。平衡時(shí)，霍爾器件處于零磁通狀態(tài)。磁芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度極低（理想狀態(tài)應(yīng)為0），不會(huì)使磁芯飽和，也不會(huì)產(chǎn)生大的磁滯損耗和渦流損耗。恰當(dāng)?shù)剡x擇磁芯材料和線路元件，可做出性能優(yōu)良的零磁通電流傳感器。現(xiàn)在市場(chǎng)上的模塊霍爾電流傳感器，一般體積較大，為雙電源供電，價(jià)格較高，閉環(huán)模式的霍爾電流傳感器其性能要比開環(huán)模式好，但價(jià)格也比開環(huán)模式的貴許多。四、其他的電流檢測(cè)器件

6、。除以上介紹的幾種電流檢測(cè)方式外，還有其他幾種測(cè)量方式，分別為：AVAGO 的光耦隔離放大器。TI 的電容式隔離放大器ADI 的西格瑪?shù)聽査礁綦x放大器。這三種電流檢測(cè)方式，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，原理是不一樣的，但外圍電路有許多共同點(diǎn)。 1、三種方式均是通過(guò)檢測(cè)精密電阻兩端的電壓來(lái)判定其被檢測(cè)電流的大小。 2、原邊與負(fù)邊均需加電源供電。 3、輸出為差分輸出，需考慮共模抑制比，可做到零基準(zhǔn)電壓。 4、響應(yīng)時(shí)間與精度差不多，均為us 級(jí)，精度界于1%5%。五、Allegro電流傳感器 介紹完了其他的電流檢測(cè)方式，接下來(lái)，重點(diǎn)介紹一下Allegro 的電流傳感器。鄙人代理此條線的產(chǎn)品。Allegro 電流傳

7、感器的共同點(diǎn)： 1 芯片級(jí)霍爾電流傳感器，串聯(lián)在電流回路中，外圍電路簡(jiǎn)單。 2. 開環(huán)模式的霍爾電流傳感器（因體積問(wèn)題，芯片級(jí)霍爾電流傳感器無(wú)法做到閉環(huán)模式。） 3. 可測(cè)交直流電流。 4. 無(wú)需檢測(cè)電阻，內(nèi)置毫歐級(jí)路徑內(nèi)阻。 5. 單電源供電，原邊無(wú)需供電。 6. 80120KHz 的帶寬，外圍濾波電容可調(diào)整帶寬與噪聲的關(guān)系。 7. 輸出加載于0.5Vcc 上，非常穩(wěn)定的斬波輸出。 8. us 級(jí)響應(yīng)速度，精度在-4085時(shí)小于2% 9. 帶抑制干擾的特殊封裝工藝。 10. 非常好的一致性與可靠性。年出廠不合格率小于1PPM。常推的幾顆Allegro 霍爾電流傳感器為： ACS712.從AC

8、S712 的內(nèi)部框圖與封裝解剖圖可以看出，原邊電流只是從芯片內(nèi)部流過(guò)，與副邊電路并沒(méi)有接觸，原邊與副邊是隔離的，因?yàn)榉庋b小，所以ACS712 的隔離電壓為2100V。因?yàn)殡娏鞯牧鬟^(guò)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，霍爾元件根據(jù)磁場(chǎng)感應(yīng)出一個(gè)線性的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的放大、濾波、與斬波電路，輸出一個(gè)電壓信號(hào)。ACS712 根據(jù)尾綴的不一樣，量程分為三個(gè)規(guī)格：5A、20A、30A，溫度等級(jí)均為E 級(jí)（-4085）。輸入與輸出在量程范圍內(nèi)為良好的線性關(guān)系，其系數(shù)Sensitivity 分別為，185、100、66mV/A。因?yàn)閿夭娐返脑?，其輸出將加載于0.5Vcc 上。ACS712 的Vcc 電源一般建議采用5V

9、。輸出與輸入的關(guān)系為Vout=0.5Vcc+Ip*Sensitivity。一般輸出的電壓信號(hào)介于0.5V4.5V之間。Ip+與Ip-之間流經(jīng)芯片內(nèi)部的那一部份，我們稱之為內(nèi)置路徑內(nèi)阻，其阻值為1.2m.當(dāng)大電流流經(jīng)它時(shí)，所產(chǎn)生的功耗很小，如30A 滿量程的電流流經(jīng)它時(shí)，產(chǎn)生的功耗為P=30*30*1.2/1000=1.08W。ACS 712 的全溫度范圍的精度為1.5%。在2585時(shí)，精度特性更好。輸入與輸出之間的響應(yīng)時(shí)間為5us。帶寬為80KHz，通過(guò)調(diào)整濾波腳與地之間的濾波電容，可根據(jù)客戶的要求來(lái)調(diào)整噪聲與帶寬的關(guān)系，電容取值大，帶寬小，噪聲小。ACS710與ACS712 相比，ACS71

10、0 多了一個(gè)過(guò)流保護(hù)功能。如上圖所示，藍(lán)色虛框?yàn)锳CS710 的電流檢測(cè)回路，紅色虛框?yàn)锳CS710 的過(guò)流保護(hù)回路。ACS710 與ACS712 的電流檢測(cè)原理是一樣的，所不同的有以下幾點(diǎn)：1. ACS710 因?yàn)榉庋bSOIC-16 體積比ACS712 稍大，所以原邊與副邊的隔離電壓也比ACS712 大，為3000V。2. 內(nèi)置路徑內(nèi)阻為1.0 m。3. 量程不一樣，根據(jù)尾綴不同，分12.5A 與25A 兩種量程。這里的12.5A 量程與25A量程指的是優(yōu)化量程，實(shí)際上，ACS710 有三倍過(guò)載能力，即，他們的實(shí)際量程分別為37.5A 與75A。但考慮到電流過(guò)大，溫升的效應(yīng)，不建議將ACS7

11、10 長(zhǎng)期工作于過(guò)載條件下。4. ACS710 Vcc 可選用5V 與3.3V 兩種。5V 與3.3V 時(shí)， 其輸入輸出的線性系數(shù)（Sensitivity）也為線性。如ACS710 25A 量程的IC，Vcc 為5V 時(shí)，Sensitivity為28mV/A. 3.3V 時(shí)，Sensitivity 為28*3.3/5=18.5mV。5. 溫度等級(jí)不一樣，ACS710 為K 級(jí)，-40125.6. ACS710 的帶寬為120KHZ，響應(yīng)時(shí)間為4us，過(guò)流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間為2us。ACS710過(guò)流保護(hù)功能說(shuō)明1. 16 管腳為使能腳。2. 調(diào)整15 腳外圍的兩個(gè)分壓電阻值， 可設(shè)定過(guò)流保護(hù)的門限值。

12、Vcc 為5V 時(shí)，ACS710KLATR-12CB-T（12.5A 量程的型號(hào)）其可設(shè)定的過(guò)流保護(hù)的門限范圍為22.3A35.7A；ACS710KLATR-25CB-T（25A 量程的型號(hào)）其可設(shè)定的過(guò)流保護(hù)的門限范圍為44.6A71.5A。3.13 管腳為Fault 輸出腳，過(guò)流條件出現(xiàn)時(shí)，13 管腳將在2us 內(nèi)輸出一個(gè)低電平信號(hào)，其中外接電容Coc 為緩沖電容，以防止因干擾而產(chǎn)生的誤報(bào)情況。4. 下圖為過(guò)流保護(hù)過(guò)程的圖解說(shuō)明。ACS758ACS758 的原理是一樣的。與ACS712、ACS710 相比，其特點(diǎn)是：1. 量程大，分為50A、100A、150A、200A 四個(gè)等級(jí)。2. 內(nèi)

13、置路徑內(nèi)阻小，為100u.3. 溫度等級(jí)，50A、100A 量程的等級(jí)為L(zhǎng) 級(jí)，即-40150；150A 量程的為K 級(jí)，即-40125；200A 量程的為E 級(jí)，即-4085.4. 帶寬為120KHz，響應(yīng)時(shí)間為4us。5. 25時(shí)，原邊1200A 大電流時(shí)，可承受時(shí)間為1 秒。85時(shí)，原邊900A 大電流時(shí)，可承受時(shí)間為1 秒。150時(shí)，原邊600A 大電流時(shí)，可承受時(shí)間為1 秒。以上介紹的為Allegro 的三顆代表型芯片級(jí)霍爾電流傳感器，我介紹的均為雙向的霍爾電流傳感器（可測(cè)交直流），輸出加載于0.5Vcc 上。Allegro 也有單向的霍爾傳感器，其單向的霍爾電流傳感器（可測(cè)正電流），輸出加載于0.1Vcc 上。芯片級(jí)的霍爾電流傳感器，目前其最大量程為200A，對(duì)于大于200A 的電流，可用Allegro 線性霍爾做成塻塊型霍爾電流傳感器。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)有部份品牌的模塊型霍爾電流傳感器，就是應(yīng)用Allegro 的線性霍爾做為核心做成的。六小結(jié)各種電流檢測(cè)的方式原理各不同。檢測(cè)電阻+運(yùn)放與電流互感器屬于低成本的方案，其可靠性與安全性較差，主要用于低端方案。模塊式霍爾電流傳感器，其體積較大，雙電源供電，成本較高。隔離放大器，其原邊，副邊均需電源供電，在消除干擾方面的設(shè)計(jì)難度更大，成本